Vorteile der Verwendung der direkten Dampfeinspritzung für die Warmwasser-Heizung mit Doppelmantel

Bei der chemischen Verarbeitung ist es bei der Doppelmantelheizung von entscheidender Bedeutung, jedes Mal die perfekte Temperatur zu erreichen. Diese Mäntel dienen zur Steuerung der Kochtemperatur mithilfe eines Kühl- oder Heizmantels um das Gefäß herum, durch den eine Kühl- oder Heizflüssigkeit zirkuliert.

Zwei Hauptmethoden zum Erhitzen eines Doppelmantelreaktors sind Dampf und Heißwasser. Dampf ist für viele in der Industrie aufgrund seiner Verfügbarkeit und Benutzerfreundlichkeit oft die erste Heizmethode, doch immer mehr Chemieingenieure erkennen allmählich die Vorteile der Warmwasserheizung in Doppelmantelreaktoren.

Ein wasserbeheizter Mantel sorgt nachweislich für einen gleichmäßigen Wärmeaustausch zwischen Mantel und Behälterwänden. Dies gewährleistet eine gleichmäßige Temperaturkontrolle in den verschiedenen Phasen, eliminiert Hotspots und Einbrennen und vermeidet Thermoschocks für eine bessere Qualitätskontrolle.

Chemieverarbeiter tendieren üblicherweise dazu, Dampf als Heizquelle in Anwendungen mit Doppelmantelreaktoren zu verwenden. Zunächst wird der Dampf direkt in den Mantel eingespritzt und auf die gewünschte chemische Reaktionstemperatur erhitzt. Anschließend durchläuft der Behälter eine Abkühlphase, um das Produkt wieder auf sichere Handhabungstemperaturen (oder seine Ausgangstemperatur) für den nächsten Prozessschritt zu bringen.

Diese nächste Phase beginnt mit der Entfernung des gesamten Dampfes und Kondensats, das sich am Boden des Mantels angesammelt hat, bevor Kühlwasser eingeleitet wird. Wenn das Kühlwasser nicht richtig in den Mantel eingefüllt wird, kann die dramatische Temperaturänderung zu einem Thermoschock führen, der zu Rissen und Schäden an emaillierten Behältern oder Schweißnähten an Stahltanks führen kann.

Die Dampfheizung ist die am wenigsten komplizierte Heiztechnik, da die konstante Temperatur des Dampfes kostengünstig und unkompliziert ist, in manchen Anwendungen jedoch ineffizient ist. Aufgrund der ungleichmäßigen Dampfverteilung und der höheren Manteltemperaturen bietet die Dampfheizung keine präzise Temperaturregelung. Dies führt zur Entstehung von Hot Spots, was zu Problemen mit der ungleichmäßigen Produkterwärmung führt. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit eines Produktanbrennens und verringert die Produktqualität.

Die Verwendung von heißem Wasser zum Erhitzen von Mantelreaktoren löst viele der Probleme, die bei der Nutzung von Dampfwärme auftreten. Das Wichtigste ist, dass sich die Temperatur in der Jacke mit heißem Wasser genauer steuern lässt. Da heißes Wasser die Wärme gleichmäßiger verteilt, ist es einfacher, heiße Stellen zu beseitigen, die zum Verbrennen des Produkts führen können, und so die Produktqualität zu verbessern. Heißwasser kann auch so temperiert werden, dass es bei steigender Produkttemperatur ansteigt, um große Gradienten zu vermeiden, die bei der Verwendung von Dampf im Mantel auftreten können.

Einige chemische Reaktionen können mehrere Male eine Aufheizphase, eine Abkühlphase und dann wieder eine Aufheizphase durchlaufen. Ein Warmwassersystem kann einen Prozess erwärmen, halten und kühlen, indem es Kühlwasser oder temperiertes Wasser mit kontrollierter Geschwindigkeit einleitet. Das Wasser für den Mantel kann schrittweise auf die gewünschte Temperatur erwärmt oder gesenkt werden, wodurch die Gefahr eines Thermoschocks ausgeschlossen wird. Dies sorgt für einen effizienteren Prozess, da die Produktion nicht unterbrochen und gewartet werden muss, wie bei der Verwendung von Dampf.

Heutzutage ist das Erhitzen von Wasser der häufigste Bedarf in der Fertigung. Wasser muss erhitzt werden (oft auf eine genaue Temperatur), unabhängig davon, ob das Wasser zur Verarbeitung von Lebensmitteln, Metallen, Zellstoff oder Papier oder anderen Konsumgütern verwendet wird.

Chemische Prozessoren haben beim Erhitzen von Wasser mehrere Optionen – zwei davon sind eine indirekte Erhitzungsmethode (z. B. ein Wärmetauscher) oder eine direkte Erhitzungsmethode.

Indirekte Heizmethoden erwärmen Wasser durch eine Wärmeübertragungsbarriere oder -wand, die typischerweise eine bestimmte Wärmeleitungsrate aufweist. Direkte Heizmethoden übertragen die Wärme direkt in das Wasser und sorgen für eine sofortige Wärmeübertragung. Die meisten Chemieingenieure sind mit Wärmetauschern vertraut und nutzen sie für ihre Prozesse, viele wissen jedoch möglicherweise nicht viel über die direkte Kontaktdampfinjektionserwärmung.

Im Gegensatz zu indirekten Heizmethoden verfügt die Direktdampfinjektion (DSI) nicht über eine Wärmeübertragungsbarriere wie ein Wärmetauscher. Während für einige Anwendungen möglicherweise Wärmetauscher erforderlich sind, verfügen Wärmeübertragungsbarrieren über eine bestimmte Wärmeleitungsrate, die die Reaktionszeit des Geräts auf Prozessänderungen verlängern kann.

DSI-Heizungen hingegen haben keine Barriere. Sie können sofort auf einen Temperaturregler reagieren und sorgen so dafür, dass es beim Start keine Verzögerungen gibt, da sich die Flüssigkeitstemperatur sofort mit den Änderungen des regulierten Dampfstroms ändert. DSI-Heizungen können so schnell und präzise geregelt werden, wie der Regelkreis Temperaturänderungen messen und darauf reagieren kann. Diese sofortige Wärmeübertragung bietet zwei Hauptvorteile: präzise Temperaturregelung und Energieeffizienz.

Mehr als 20 % der Energie im Dampf können als sensible Wärme dargestellt werden. Da es sich sowohl um die latente als auch um die fühlbare Wärme des Dampfes handelt, benötigt ein DSI-Heizgerät für einen bestimmten Prozess weniger Dampffluss als indirekte Heizmethoden. Darüber hinaus ist bei einem DSI-System keine Kondensatrückführung erforderlich, da die gesamte Energie des Dampfes auf den Prozess übertragen wird. Im Wesentlichen werden 100 % der Kondensatenergie zurückgewonnen. Verschiedene DSI-Regelventile nutzen unterschiedliche physikalische Prinzipien für ihren Betrieb. Jedes dieser Steuerungsschemata bietet mehrere Ebenen der Temperatursteuerungsgenauigkeit und anderer Wartungsanforderungen.

Die DSI-Heizung bietet darüber hinaus weitere Vorteile, die ein indirektes System nicht bietet. Diese Einsparungen können auch zu einem effizienteren Gesamtanlagenlayout führen, von reduziertem/eliminiertem Wartungsaufwand bis hin zur kompakten Größe, die weniger Stellfläche erfordert. Die DSI-Technologie umfasst außerdem eine präzise Temperaturregelung, die Energie spart, indem Flüssigkeiten auf exakte Temperaturen erhitzt werden, während gleichzeitig die Sollwerte und der Energiebedarf gesenkt werden, was zu einer verbesserten Produktqualität führt.

Anstatt nur Dampf in den Mantel einzuleiten, erhitzt eine DSI-Heizlösung sofort Wasser, das dann den ummantelten Behälter auf eine gleichmäßige Temperatur umgibt. Die DSI-Technologie kann eine präzise Erwärmung gewährleisten, Hotspots und Einbrennen verhindern und gleichzeitig reibungslose Übergänge vom Heizen zum Kühlen ohne Thermoschock ermöglichen.

Randy Pinto ist regionaler Vertriebsleiter bei Hydro-Thermal. Er ist unter [email protected] erreichbar. Weitere Informationen finden Sie unter hydro-thermal.com.